Des roulements de roue asymétriques pour améliorer la tenue de route des voitures hautes performances

Pour les voitures hautesperformances, une bonne tenue de route, quelles que soient les conditions, est importante pour les sensations globales de conduite. Les ingénieurs SKF ont mis au point une solution maintes fois primée basée sur un roulement de roue asymétrique novateur pour résoudre le problème persistant lié au retour du piston de l’étrier de frein.

Le problème lié au retour du piston de l’étrier de frein réside dans un allongement de la course de la pédale de frein après plusieurs manœuvres de freinage brusques, avec des répercussions néfastes sur le temps de réponse des freins et la précision du système de contrôle électronique de stabilité (ESC).

Ce problème apparaît en cas de flexion de l’ensemble pivot, moyeu et étrier de frein (se bild . 1). De telles flexions sont causées par des forces latérales très importantes s’exerçant dans la zone de contact roue/route. En cas de flexion du moyeu, le mouvement relatif entre le disque de frein et le piston d’étrier entraîne un déplacement de ce dernier. Si ce mouvement relatif dépasse les limites de déplacement arrière du joint du piston d’étrier, le piston glisse sur le joint et reste en position rétracté. Il en résulte des jeux excessifs entre le disque et la plaquette. Lorsque les freins sont à nouveau appliqués, la course de la pédale de frein est alors plus longue avant que la réponse de freinage soit perçue (se bild . 2).

Freinage hautes performances
Naturellement, les véhicules hautes performances doivent offrir une tenue de route et un freinage irréprochables en fournissant des réponses linéaires prévisibles dans toutes les circonstances. Comme ils sont souvent poussés au bout de leurs limites dynamiques, la possibilité de freiner en toute confiance le plus tard possible dans un virage est essentielle.

Ironie du sort, les stratégies mises en œuvre pour améliorer les plates-formes des véhicules dans le but d’atteindre des performances élevées comme des freins et des pneus spéciaux peuvent, au contraire, favoriser les conditions d’apparition du problème lié au retour du piston. Par exemple, le moyeu doit supporter des forces supérieures, ce qui amplifie le phénomène de flexion et un disque de frein de diamètre supérieur peut décupler la sensibilité géométrique à la flexion au niveau du moyeu.

Un retour de piston excessif a également un impact négatif sur l’efficacité du système ESC, car il augmente les jeux entre le disque et la plaquette de frein. Le jeu crée une accoutumance du système qui doit être compensée par le système ESC avant application des forces de freinage.

Identification du problème
Durant la phase de développement de la Cadillac STS-V 2006, un problème de retour de piston a été identifié sur le véhicule. Avant de mettre au point une solution, l’équipe d’ingénierie SKF, aux côtés des ingénieurs General Motors (GM), a adopté une démarche systémique. Des essais ont été effectués sur des véhicules dans le but de définir les données du problème, ainsi que des tests en laboratoire visant à reproduire le problème. L’équipe a également identifié des difficultés potentielles en lien avec l’amélioration de la conception du moyeu. En voici la liste :

• L’architecture de base du véhicule risque de restreindre sérieusement les options disponibles pour accroître la rigidité du carrossage ;
• Des pneus plus larges entraînent souvent des déports de roue moins favorables avec des répercussions négatives sur l’écartement du roulement ;
• Des pneus hautes performances plus larges peuvent présenter une plus forte adhérence et générer des charges de carrossage plus élevées ;
• Des roues plus larges se traduisent souvent par un plus grand rayon de pneu sous charge statique et, par conséquent, par des charges de carrossage plus élevées pour une force donnée de l’aire de contact ;
• Des disques de frein de diamètre supérieur ont pour effet d’amplifier les flexions du moyeu au niveau du piston de l’étrier ;
• Les étriers fixes du piston opposé offrent moins de souplesse et présentent une plus grande sensibilité aux flexions de carrossage.

Principes de développement du roulement de roue intégré
Les roulements de roue intégrés sont généralement conçus sur la base des charges axiales et radiales auxquelles ils seront soumis, d’un mouvement relatif de faible frottement entre la roue et le pivot, et de la capacité à supporter le disque de frein et la roue. Pour l’ensemble-roulement en lui-même, les paramètres à prendre en compte sont la capacité de charge du roulement, l’étanchéité, la résistance des épaulements et son mécanisme de retenue ou blocage.

En raison des contraintes de l’architecture du véhicule, les ingénieurs doivent se montrer créatifs pour optimiser la rigidité du carrossage tout en conservant l’interface avec les composants existants du véhicule.

Quatre éléments peuvent influer sur la rigidité du moyeu. Il s’agit de la géométrie du moyeu, la précharge du roulement, l’écartement du roulement, autrement dit la distance entre les centres de pression du roulement définie par la distance entre les deux rangées d’éléments roulants, leur diamètre primitif et les angles de contact. Le dernier paramètre est le point approximatif de flexion du flasque de moyeu. L’équipe d’ingénierie a constaté qu’il était possible d’accroître la rigidité en apportant quelques modifications. Elle a augmenté l’épaisseur du flasque, remplacé les segments d’arrêt par le rivetage orbital pour le maintien de la précharge, augmenté la distance entre les rangées et le diamètre primitif de la rangée extérieure pour réduire la flexion du moyeu et augmenter encore plus l’écartement (se bild . 3 et 4).

Ainsi est né le concept du roulement de roue intégré asymétrique. La rangée intérieure présente un diamètre primitif relativement petit pour permettre l’intégration dans la géométrie existante du véhicule, tandis que la rangée extérieure présente un diamètre primitif supérieur pour inclure un plus grand nombre d’éléments roulants et accroître ainsi la rigidité. De plus, l’épaisseur du flasque a été augmentée de 3 mm (se bild . 6).

Cette conception améliore de manière significative la rigidité du carrossage des roues et s’intègre parfaitement dans l’architecture existante du véhicule. Des essais menés sur le véhicule ont montré que cette nouvelle solution réduit de 56 % le temps de retour du piston de l’étrier de frein par rapport à la conception d’origine, ce qui se traduit par une réponse constante et pré­visible de la pédale de frein et une grande précision du système ESC, y compris dans les conditions de conduite les plus périlleuses (se bild . 5). À ce jour, SKF a mis au point trois versions du X-Tracker : une version avec roulement à billes (se bild . 6), une version avec roulement à billes et à rouleaux coniques (se bild . 7) et une version avec roulement à rouleaux coniques (se bild . 8).